專利名稱：移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)及方法
相關(guān)申請(qǐng)與本申請(qǐng)相關(guān)的有美國(guó)專利申請(qǐng)系列號(hào)為09/427775的名稱為“等離子鍍覆系統(tǒng)和方法”的申請(qǐng)，其申請(qǐng)日為1999年10月26日，發(fā)明人為Jerry D.Kidd、Craig D.Harrington和Daniel N.Hopkins，以及美國(guó)專利申請(qǐng)系列號(hào)為09/578166的名稱為“可配置真空系統(tǒng)和方法”的申請(qǐng)，其申請(qǐng)日為2000年5月22日，發(fā)明人為Jerry D.Kidd、CraigD.Harrington和Daniel N.Hopkins。
例如，許多這樣的沉積技術(shù)需要昂貴、龐大且復(fù)雜的真空系統(tǒng)，以將真空度設(shè)定并維持在指定的工作壓力。這樣的真空系統(tǒng)通?？砂ㄕ婵帐遥捎米鞯驼婵涨凹?jí)真空泵的機(jī)械真空泵，次級(jí)真空泵如擴(kuò)散泵、低溫泵和/或渦輪分子泵，和復(fù)雜的壓力計(jì)如離子真空計(jì)。這些真空系統(tǒng)往往需要復(fù)雜的管道和不會(huì)泄漏的管路布置，以便能保持和持續(xù)精確的所需工作壓力和參數(shù)。由于接口問(wèn)題和真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)引起機(jī)械振動(dòng)，使得這樣復(fù)雜的管道和管路在管道轉(zhuǎn)彎處或管道接口處尤其易于滲漏。
一些或所有的真空泵如擴(kuò)散泵可能還需要大型且復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)，這些冷卻系統(tǒng)在真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)之前和運(yùn)轉(zhuǎn)期間往往使用數(shù)百或數(shù)千加侖的冷卻循環(huán)水。這可能需要大型和龐大的水冷系統(tǒng)，包括大型蓄水池和用于冷卻大型蓄水池中的水的制冷系統(tǒng)。
因?yàn)槌练e技術(shù)涉及這樣大型、昂貴且復(fù)雜的系統(tǒng)、設(shè)備和機(jī)器，這樣的系統(tǒng)通常必須永久安裝在一個(gè)場(chǎng)所。當(dāng)大型零件或部件如那些重達(dá)數(shù)百或數(shù)千磅的零件或部件、或者是龐大的或難以裝運(yùn)的零件或部件需要使用沉積技術(shù)之一來(lái)進(jìn)行涂敷或鍍覆時(shí)，大概唯一的選擇是在這樣的大型或龐大的部件之上或附近處永久安裝這樣的系統(tǒng)。這允許這樣的大型和龐大的部件只移動(dòng)短的距離來(lái)進(jìn)行涂敷或鍍覆。
令人遺憾的是，由于這種選擇花費(fèi)高，成本上往往不允許。高的開(kāi)支不僅包括取得不動(dòng)產(chǎn)和設(shè)備的成本、安裝這樣復(fù)雜系統(tǒng)的成本，還包括保養(yǎng)設(shè)備和聘用成功操作和維護(hù)這種系統(tǒng)所需的專業(yè)人員的成本。設(shè)計(jì)沉積技術(shù)系統(tǒng)也存在問(wèn)題。所有這類的系統(tǒng)需要定制設(shè)計(jì)，以滿足特殊需要和適應(yīng)安裝環(huán)境。包羅萬(wàn)象的沉積技術(shù)系統(tǒng)是不存在的。正如已經(jīng)說(shuō)明的那樣，沉積技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、操作和維修復(fù)雜并且昂貴，因此使用沉積技術(shù)涂敷或鍍覆大型和龐大的部件往往是不可能的，盡管這種大型和龐大的部件可能會(huì)從這樣的沉積技術(shù)所帶來(lái)的顯著優(yōu)點(diǎn)中大大受益。
有時(shí)候，某些部件或零件的有效性如此關(guān)鍵，從安全和/或財(cái)務(wù)的觀點(diǎn)來(lái)看，不管發(fā)貨延遲或貨物遺失的風(fēng)險(xiǎn)如何小，也是個(gè)太大的風(fēng)險(xiǎn)，盡管通過(guò)涂敷或鍍覆能獲得顯著的優(yōu)點(diǎn)。例如，核電站中使用的反應(yīng)堆容器蓋螺柱(head stud)如此重要和獨(dú)特，因此在工廠停歇期間如核電站在大約每?jī)赡曜笥野l(fā)生的燃料重新加載期間，發(fā)貨延遲或貨物遺失的風(fēng)險(xiǎn)大得難以承受。例如，由于滯延而不能運(yùn)轉(zhuǎn)，核電站每天可能損失幾十萬(wàn)乃至數(shù)百萬(wàn)美元。因此，某些部件或零件如此重要，以至于它們決不會(huì)被裝運(yùn)到另一個(gè)地方去使用沉積技術(shù)進(jìn)行鍍覆或涂敷，盡管通過(guò)這樣的沉積技術(shù)可能獲得顯著的優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種施行鍍覆工藝的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)。該移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)包括位于移動(dòng)式儲(chǔ)存箱中的真空室、外部真空泵和控制外部真空泵的某些或所有的操作的控制元件。當(dāng)運(yùn)送移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)時(shí)，外部真空泵置于移動(dòng)式儲(chǔ)存箱中，而當(dāng)移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)被固定以及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，外部真空泵位于移動(dòng)式儲(chǔ)存箱之外。外部真空泵可以安裝在滑軌上，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，外部真空泵與真空室連接，有助于在真空室中產(chǎn)生所需的壓力。使用柔性管件將外部真空泵與真空室相連，以減少和/或消除由于外部真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)從而在真空室內(nèi)部和移動(dòng)式儲(chǔ)存箱內(nèi)部引起的機(jī)械振動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種使用移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)的方法，包括將移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)安裝在所需的鍍覆位置，將外部真空泵從移動(dòng)式等離子鍍覆系統(tǒng)的移動(dòng)式儲(chǔ)存箱內(nèi)部移至外部，使用柔性管件將外部真空泵與位于移動(dòng)式等離子鍍覆系統(tǒng)的移動(dòng)式儲(chǔ)存箱內(nèi)部的真空室相連。該方法也可包括將基底和沉積物質(zhì)放置在真空室內(nèi)，使用外部真空泵來(lái)設(shè)定真空室中所需的壓力，用沉積物質(zhì)鍍覆基底。
本發(fā)明提供了許多技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，包括能夠在事實(shí)上任何所需地點(diǎn)應(yīng)用進(jìn)行涂敷和鍍覆的成熟沉積技術(shù)、系統(tǒng)、設(shè)備和機(jī)器，這顯著增加了這樣的重要技術(shù)的可利用性。
本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包括能夠?qū)⒊练e技術(shù)的涂敷或鍍覆應(yīng)用于大型的和龐大的不能或不能輕易被運(yùn)送的部件和零件，而不會(huì)帶來(lái)顯著的設(shè)計(jì)、操作和保養(yǎng)使用沉積技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)的費(fèi)用。
本發(fā)明的又一個(gè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包括能夠涂敷或鍍覆使命重大的部件如核電站使用的反應(yīng)堆容器蓋螺柱。因?yàn)楸景l(fā)明允許在客戶處使用沉積技術(shù)，因此消除了由于可能的發(fā)貨延遲或貨物遺失造成的無(wú)法接受的風(fēng)險(xiǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包括能夠削減或省去甚至是較小的部件和零件或非關(guān)鍵性零件的運(yùn)輸費(fèi)用，并省去了設(shè)計(jì)、操作和保養(yǎng)使用沉積技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)的大筆費(fèi)用和成本。這顯著降低了總成本。
本發(fā)明還有一個(gè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，包括能夠在移動(dòng)式腔室之外運(yùn)行嘈雜的機(jī)械真空泵，如機(jī)械低真空前級(jí)真空泵，從而減少了機(jī)械振動(dòng)，增加了移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。
另一個(gè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包括能夠在移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)的移動(dòng)式儲(chǔ)存箱內(nèi)使用成熟的冷卻系統(tǒng)如水冷系統(tǒng)。
還有一個(gè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包括能夠使用成熟的沉積技術(shù)，而不會(huì)產(chǎn)生或遺留任何有害的廢棄副產(chǎn)物。這很有意義。
從以下的附圖、說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中，本領(lǐng)域的專業(yè)人員很容易想見(jiàn)本發(fā)明的其它技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。
現(xiàn)在參照下面的簡(jiǎn)要說(shuō)明、并結(jié)合附圖和發(fā)明詳述部分的說(shuō)明來(lái)更全面地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，其中同樣的數(shù)字標(biāo)記代表同樣的零件
圖1是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的可用于鍍覆材料的等離子鍍覆系統(tǒng)示意圖；圖2是等離子鍍覆系統(tǒng)的真空室頂視圖，描繪了平臺(tái)為轉(zhuǎn)臺(tái)的一個(gè)實(shí)施方案；圖3是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的絲極周圍的等離子體形成并分散到等離子鍍覆基底的側(cè)視圖；圖4是表示包括底層、過(guò)渡層和工作層的沉積層的剖視圖；圖5是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的等離子鍍覆方法的流程圖；圖6是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的使用本發(fā)明的系統(tǒng)的背濺射方法的流程圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)的頂視圖；圖8是說(shuō)明外部真空泵與移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)的真空室之間的連接的側(cè)視圖；和圖9是說(shuō)明使用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)的方法的流程圖。
發(fā)明詳述首先應(yīng)該理解盡管在下面說(shuō)明了本發(fā)明的示范性實(shí)施方案，本發(fā)明還可以使用許多無(wú)論是目前已知的或是現(xiàn)有的技術(shù)來(lái)實(shí)施。本發(fā)明決不應(yīng)受限于示范性實(shí)施例、附圖和下面說(shuō)明的方法，包括在此說(shuō)明和描述的示范性設(shè)計(jì)和裝置。
首先，以下結(jié)合圖1-6來(lái)詳細(xì)說(shuō)明等離子鍍覆系統(tǒng)和方法。圖1-6說(shuō)明了一種使用移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)和方法的沉積技術(shù)。最后，結(jié)合圖7-9來(lái)詳細(xì)說(shuō)明移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)和方法的一種實(shí)施方案，該實(shí)施方案示范了結(jié)合前面的圖1-6詳述的沉積技術(shù)的等離子鍍覆系統(tǒng)類型。
圖1是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的可用于鍍覆各種材料的等離子鍍覆系統(tǒng)10的示意圖。系統(tǒng)10包括了用于支撐等離子鍍覆真空室14內(nèi)基底12的各種設(shè)備。一旦達(dá)到了合適的工作參數(shù)和條件，絲極16和絲極18提供的沉積物質(zhì)可被蒸發(fā)或汽化，形成等離子體。等離子體通常含有沉積物質(zhì)的正離子，并會(huì)被吸引到基底12上形成沉積層。等離子體可以想像為圍繞或鄰近基底12的離子云。等離子體通常在從絲極16和絲極18到接近基底12的最近表面之間形成一個(gè)暗區(qū)，使正離子加速向基底12移動(dòng)。
絲極16和絲極18與支撐基底12的平臺(tái)20一起，位于真空室14內(nèi)。傳動(dòng)件22表示了驅(qū)動(dòng)馬達(dá)24與真空室14內(nèi)平臺(tái)20的主軸之間的連接。在圖1所示的實(shí)施方案中，平臺(tái)20為在真空室14內(nèi)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺(tái)。傳動(dòng)件22將驅(qū)動(dòng)馬達(dá)24的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與平臺(tái)20的主軸機(jī)械連接起來(lái)，以使平臺(tái)20旋轉(zhuǎn)。平臺(tái)20的主軸的旋轉(zhuǎn)通過(guò)各種支承軸承如底板軸承28和平臺(tái)軸承30而促進(jìn)。
如上所述，真空室14位于或封接于底板32之上。事實(shí)上，真空室14可以使用任何具備承受內(nèi)部真空和外部壓力如大氣壓的適宜的機(jī)械特性的材料制成。例如，真空室14可以是金屬腔或是玻璃罩。在一個(gè)可選的實(shí)施方案中，底板32起著平臺(tái)20的作用，支撐著基底12。底板32可以認(rèn)為是真空室14的一部分。
底板32也對(duì)系統(tǒng)10起著機(jī)械支撐的作用，同時(shí)還允許各種設(shè)備從其下表面貫通至其位于真空室14中的上表面。例如，絲極16和絲極18從絲極電源控制元件34接收電能。應(yīng)注意，盡管圖1中標(biāo)出了兩組絲極電源控制元件34，優(yōu)選的是這兩組元件如一組元件那樣工作。為了向絲極16和絲極18提供電能，電導(dǎo)線必須如圖1所示穿過(guò)底板32。類似地，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)24也必須穿過(guò)或貫穿底板32，向傳動(dòng)件22傳送機(jī)械動(dòng)作，從而使平臺(tái)20旋轉(zhuǎn)。饋電通路26，下面會(huì)有更詳盡的說(shuō)明，也貫穿底板32，并在平臺(tái)20和各種信號(hào)發(fā)生器之間提供電傳導(dǎo)通道，下面也會(huì)有更詳盡的說(shuō)明。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，饋電通路26作為換向器與平臺(tái)20的底面接觸，在該實(shí)施方案中，平臺(tái)20用作轉(zhuǎn)臺(tái)。饋電通路26可以作為換向器，象金屬刷那樣工作，其能與平臺(tái)20的底面接觸，并且即使平臺(tái)20旋轉(zhuǎn)，也能與之保持電接觸。
絲極電源控制元件34向絲極16和絲極18提供電流。在一個(gè)實(shí)施方案中，絲極電源控制元件34能在一個(gè)特定的時(shí)間段向絲極16提供電流，然后在第二個(gè)時(shí)間段向絲極18提供電流。根據(jù)絲極的設(shè)置情況不同，絲極電源控制元件34可以向絲極16和絲極18同時(shí)提供電流，或者以分開(kāi)的時(shí)間間隔提供電流。這種靈活性容許多于一種的特定沉積材料在不同時(shí)間被等離子鍍覆到基底12上。優(yōu)選絲極電源控制元件34向絲極提供交流電，但是可以使用任何已知的產(chǎn)生電流的方法來(lái)提供電流。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，絲極電源控制元件34提供了足夠幅度或強(qiáng)度的電流，以在絲極16中產(chǎn)生充足的熱量，從而蒸發(fā)或汽化其中提供的沉積物質(zhì)。
為了保證均勻加熱位于絲極16或絲極18之上或之中的沉積物質(zhì)，優(yōu)選絲極控制元件34以遞增的方式提供電流，以使在真空室14內(nèi)熔化的沉積物質(zhì)中熱量分布更均勻。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，平臺(tái)20用作轉(zhuǎn)臺(tái)，使用如上所述的機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置使之旋轉(zhuǎn)?？捎萌鐖D1所示的速度控制元件36來(lái)控制平臺(tái)20的旋轉(zhuǎn)速度。優(yōu)選平臺(tái)20的旋轉(zhuǎn)速率為5轉(zhuǎn)/分～30轉(zhuǎn)/分。據(jù)信等離子鍍覆用的平臺(tái)20的最佳旋轉(zhuǎn)速率為12轉(zhuǎn)/分～15轉(zhuǎn)/分。平臺(tái)20旋轉(zhuǎn)的優(yōu)點(diǎn)是能使基底12受到更均勻的鍍覆或涂敷。這在當(dāng)平臺(tái)20表面上置有多個(gè)基底時(shí)尤其如此。這容許在等離子鍍覆過(guò)程中真空室14內(nèi)多個(gè)基底中的每一個(gè)均同等、均勻地放置。
在其它的實(shí)施方案中，事實(shí)上平臺(tái)20可以以任何所需的角度或傾斜度傾斜。例如，平臺(tái)20可以是平面、水平面、垂直面、傾斜面、彎曲表面、曲線面(curvilinear suface)、螺旋面，或者作為真空室的一部分如真空室內(nèi)的支承結(jié)構(gòu)。如前所述，平臺(tái)20可以是固定的或者是旋轉(zhuǎn)的。在一個(gè)可選的實(shí)施方案中，平臺(tái)20包括可用來(lái)旋轉(zhuǎn)一個(gè)或多個(gè)基底的滾軸。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，平臺(tái)20提供或者包括了連通饋電通路26和基底12之間的導(dǎo)電通路。在一個(gè)實(shí)施方案中，平臺(tái)20為金屬或?qū)щ姴牧?，因此可在平臺(tái)20上的任何位置提供饋電通路26和基底12之間的導(dǎo)電通路。在這樣的情況下，在平臺(tái)20和使平臺(tái)20旋轉(zhuǎn)的軸之間設(shè)置絕緣體21，以便電絕緣。另一個(gè)實(shí)施方案中，在平臺(tái)20頂面的某個(gè)位置有導(dǎo)電材料與平臺(tái)20底面的某個(gè)位置有電連接。這樣，基底12可以置于平臺(tái)20頂側(cè)的適當(dāng)位置，而饋電通路26可以置于平臺(tái)20底側(cè)的適當(dāng)位置。如此進(jìn)行基底12與饋電通路26之間的電連接。
饋電通路26向平臺(tái)20和基底12提供直流信號(hào)和射頻信號(hào)。與這些信號(hào)均有關(guān)的所需工作參數(shù)在下面有更詳盡的說(shuō)明。優(yōu)選通過(guò)直流電源66產(chǎn)生負(fù)壓直流信號(hào)，通過(guò)射頻發(fā)射器64產(chǎn)生所需功率水平的射頻信號(hào)。然后優(yōu)選用直流/射頻混合器68將兩組信號(hào)混合，通過(guò)射頻平衡電路70提供給饋電通路26，通過(guò)最小化駐波反射功率來(lái)平衡信號(hào)。優(yōu)選用人工來(lái)控制射頻平衡電路70。
在一個(gè)可選的實(shí)施方案中，平臺(tái)20，包括其所有的支撐元件、構(gòu)件和設(shè)備如驅(qū)動(dòng)電機(jī)24和傳動(dòng)件22均被去除。在這種情況下，基底12與饋電通路26電連接。
用圖1中系統(tǒng)10的剩余設(shè)備和部件來(lái)產(chǎn)生、維持并控制真空室14內(nèi)所需的真空條件。這是通過(guò)使用真空系統(tǒng)來(lái)做到的。真空系統(tǒng)包括低真空泵(roughing pump)46和初級(jí)閥48，在剛開(kāi)始時(shí)用來(lái)降低真空室14中的壓力。真空系統(tǒng)還包括前級(jí)真空泵40、前級(jí)閥44、擴(kuò)散泵42和主閥50。開(kāi)啟前級(jí)閥44，使前級(jí)真空泵40可以開(kāi)始工作。在通過(guò)關(guān)閉初級(jí)閥48而關(guān)閉低真空泵46之后，將擴(kuò)散泵42加熱到合適的溫度，然后開(kāi)啟主閥50。這使得擴(kuò)散泵42可以進(jìn)一步將真空室14中的壓力降低到所需水平。
然后可以以所需的速率向真空室14中引入氣體60如氬氣，從而將真空室14中的壓力增加到所需的壓力值或達(dá)到一定的壓力范圍。氣體調(diào)節(jié)閥控制著氣體60通過(guò)底板32進(jìn)入真空室14內(nèi)的流速。
正如以下將根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)聯(lián)系圖5和圖6要作的更詳盡的說(shuō)明那樣，一旦所有的工作參數(shù)和條件均達(dá)到了，系統(tǒng)10中便發(fā)生等離子鍍覆。通過(guò)真空室14內(nèi)等離子體的形成，可以在基底12上等離子鍍覆一層或多層包括如基層、過(guò)渡層和工作層在內(nèi)的沉積層。優(yōu)選等離子體包括沉積物質(zhì)蒸發(fā)或者汽化得到的帶正電荷的沉積物質(zhì)離子，以及被引入真空室14中的氣體60產(chǎn)生的正離子。人們相信，在等離子中存在并最終成為沉積層的一部分的氣體離子如氬氣離子不會(huì)顯著降低沉積層的性能。向真空室14中引入氣體同樣有助于控制真空室14內(nèi)所需的壓力，從而可以根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)產(chǎn)生等離子體。在一個(gè)可選的實(shí)施方案中，等離子鍍覆工藝在無(wú)氣體的環(huán)境下進(jìn)行，因此通過(guò)真空系統(tǒng)來(lái)形成并充分維持真空室14內(nèi)的壓力。
真空室14中等離子體的產(chǎn)生被認(rèn)為是各種影響因素的結(jié)果，這些影響因素如加熱位于絲極如絲極16和絲極18中的沉積物質(zhì)產(chǎn)生的熱離子效應(yīng)，以及施加所需電壓水平的直流信號(hào)和施加所需功率水平的射頻信號(hào)。
系統(tǒng)10的真空系統(tǒng)可以包括各種真空系統(tǒng)如擴(kuò)散泵、前級(jí)真空泵、低真空泵、低溫泵、渦輪泵和任何能夠使真空室14中的壓力達(dá)到本發(fā)明所需的壓力的泵。
如上所述，真空系統(tǒng)包括低真空泵46和與前級(jí)真空泵40一起使用的擴(kuò)散泵42。低真空泵46通過(guò)初級(jí)閥48與真空室14相連。當(dāng)初級(jí)閥48打開(kāi)時(shí)，可以在剛開(kāi)始時(shí)用低真空泵46來(lái)降低真空室14中的壓力。一旦真空室14內(nèi)達(dá)到了所需的低壓，即關(guān)閉初級(jí)閥48。低真空泵46通過(guò)底板32上的通孔或開(kāi)口與真空室14相連。優(yōu)選低真空泵46為機(jī)械泵。在圖1所示的系統(tǒng)10的真空系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，該實(shí)施方案中的真空系統(tǒng)還包括通過(guò)前級(jí)閥44與擴(kuò)散泵42相連的前級(jí)真空泵40。前級(jí)真空泵40可以是一個(gè)機(jī)械泵，其與擴(kuò)散泵42結(jié)合使用，將真空室14內(nèi)的壓力降低到比使用低真空泵46所產(chǎn)生的壓力還要低。
在低真空泵46降低了真空室14內(nèi)的壓力之后，通過(guò)主閥50和圖1中用位于主閥50之上、平臺(tái)20之下的虛線表示的底板32上的通孔或開(kāi)口來(lái)使擴(kuò)散泵42與真空室14相連，使用加熱器并且可能需要使用冷卻水或其他物質(zhì)來(lái)冷卻擴(kuò)散泵42。一旦擴(kuò)散泵42已被加熱并已做好了工作準(zhǔn)備，就可以開(kāi)啟主閥50，以使真空室14內(nèi)的壓力通過(guò)擴(kuò)散泵42協(xié)同前級(jí)真空泵44的作用得到進(jìn)一步降低。例如，真空室14內(nèi)的壓力可被降低到4毫托以下。在背濺射工藝過(guò)程中，真空室14內(nèi)的壓力可以降低到100毫托直至20毫托。優(yōu)選在背濺射工藝過(guò)程中，真空室14內(nèi)的壓力為50毫托直至30毫托。在等離子鍍覆工藝的系統(tǒng)10正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，可以通過(guò)真空系統(tǒng)將真空室14內(nèi)的壓力降低到4毫托直至0.1毫托。優(yōu)選在等離子鍍覆工藝過(guò)程中使用真空系統(tǒng)以將真空室14內(nèi)的壓力降低到1.5毫托直至0.5毫托。
圖2是等離子鍍覆系統(tǒng)的真空室頂視圖，表示了平臺(tái)為轉(zhuǎn)臺(tái)20的一個(gè)實(shí)施方案。在轉(zhuǎn)臺(tái)20的表面上對(duì)稱放置了基底12a、12b、12c和12d。轉(zhuǎn)臺(tái)20可以順時(shí)針或者逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。事實(shí)上基底12a-12d可以由任何現(xiàn)有材料制成，在圖2中為圓柱形，因此每個(gè)基底在頂視圖中表現(xiàn)為圓形。
絲極電源控制元件34與第一套絲極94和96以及第二套絲極90和92有電連接。盡管圖2中沒(méi)有完全標(biāo)示出這種電連接關(guān)系，應(yīng)理解絲極電源控制元件34可以向第一套絲極94和96、或者是第二套絲極90和92提供電流。這樣，沉積層可有兩層如基層和工作層。優(yōu)選首先通過(guò)第一套絲極94和96提供的沉積物質(zhì)來(lái)鍍覆基層，再用第二套絲極90和92上提供的沉積物質(zhì)在基底12a-12d的基層上沉積工作層。
圖2中基底的布置可被描述成一系列的基底，其包括與轉(zhuǎn)臺(tái)20的中心更為接近的朝內(nèi)表面，和與轉(zhuǎn)臺(tái)20的外緣更為接近的朝外表面。例如，12a-d系列基底的朝內(nèi)表面在基底旋轉(zhuǎn)靠近絲極時(shí)分別在不同的時(shí)間面向絲極92和絲極96。同樣，基底12a-d的朝外表面在它們旋轉(zhuǎn)靠近絲極時(shí)面向絲極90和94。
如前所述，事實(shí)上絲極電源控制元件34可以提供任何種類的電流如直流電流或交流電流，但是優(yōu)選提供交流電流。
在工作中，例如轉(zhuǎn)臺(tái)20按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，這樣在基底12b靠近或者經(jīng)過(guò)絲極之后，下一個(gè)靠近或者經(jīng)過(guò)絲極的基底是基底12c，如此下去。在一個(gè)實(shí)施例中，第一套絲極94和96上裝載著沉積物質(zhì)如鎳(或鈦)，第二套絲極上裝載著沉積物質(zhì)如銀/鈀合金。該實(shí)施例是鍍覆兩套沉積物質(zhì)或者兩層沉積層的例子。
在設(shè)定了真空室內(nèi)所有的工作參數(shù)之后，正如在這里自始至終描述的那樣，絲極電源控制元件34可以向第一套絲極94和96提供交流電流，將使鎳蒸發(fā)或者汽化，以與真空室內(nèi)的氣體如氬氣一起形成等離子體。等離子體中帶正電荷的鎳離子和帶正電荷的氬離子將被吸引到處于負(fù)電位的基底12a-d上。通?；仔D(zhuǎn)時(shí)離第一套絲極90和92的距離越近，將會(huì)沉積越多的材料。因?yàn)檗D(zhuǎn)臺(tái)是旋轉(zhuǎn)的，施加到各個(gè)基底上的一層或多層沉積層是均勻的。
在開(kāi)始的等離子體已被鍍覆到12a-d系列基底上形成沉積層的基層之后，絲極電源控制元件34被通電，以向第二套絲極90和92提供足量的電流。類似地，在氬離子和銀/鈀離子之間形成了等離子體，然后在正在旋轉(zhuǎn)的基底上形成工作層。
在鍍覆基層的過(guò)程中，主要通過(guò)絲極94中的沉積物質(zhì)鎳來(lái)涂敷基底12a-d的朝外表面。類似地，通過(guò)絲極96中的沉積物質(zhì)鎳來(lái)涂敷基底的朝內(nèi)表面。對(duì)于將銀/鈀等離子鍍覆到基底上形成沉積層的鍍覆來(lái)說(shuō)，也存在同樣的關(guān)系。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，說(shuō)明絲極100周圍的等離子體形成和擴(kuò)散，以等離子鍍覆基底12的側(cè)視圖。絲極100做成導(dǎo)線籃子的形狀，如鎢絲籃子，如圖所示，沉積物質(zhì)102置于其中，并由絲極100機(jī)械支撐住。當(dāng)絲極電源控制元件34向絲極100提供了足夠的電流時(shí)，沉積物質(zhì)102會(huì)熔化或者汽化，形成等離子體104。當(dāng)然，本發(fā)明的所有工作參數(shù)必須能使沉積物質(zhì)達(dá)到等離子體狀態(tài)，以便發(fā)生等離子鍍覆。
處于負(fù)電位的基底12吸引等離子體104的正離子，以形成沉積層。如圖所示，等離子體104的分布圖顯示等離子體104的大部分正離子被吸引到絲極100和沉積物質(zhì)102附近。如圖所示當(dāng)?shù)入x子體104與基底12的頂面接觸時(shí)將產(chǎn)生一些卷曲。類似地，等離子體104的一部分正離子可能被吸引到平臺(tái)或者轉(zhuǎn)臺(tái)上。正如已說(shuō)明的那樣，本發(fā)明提供了一種形成沉積層的有效辦法，即確保沉積物質(zhì)的大部分離子被用于形成沉積層。
圖4是表示包括基層110、過(guò)渡層112和工作層114在內(nèi)的基底12的沉積層的剖視圖。首先應(yīng)注意構(gòu)成沉積層的各個(gè)層的厚度與基底12的尺寸基本上不成比例；然而，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，沉積層的各內(nèi)層的相對(duì)厚度彼此成比例。
一般地，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，基底上整個(gè)沉積層的厚度通常被認(rèn)為是介于500埃和20,000埃之間。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，整個(gè)沉積層的厚度被認(rèn)為是介于3,000埃和10,000埃之間。本發(fā)明提供了包括所有的沉積層如基層110、過(guò)渡層112和工作層114在內(nèi)的沉積層厚度的優(yōu)異的再現(xiàn)性和可控性。據(jù)信，本發(fā)明可以提供精度約為500埃的可控層厚。還應(yīng)提到的是，本發(fā)明可用來(lái)形成具有一層或任意多層內(nèi)層的沉積層。
沉積層的厚度通常根據(jù)等離子鍍覆基底的預(yù)定用途的性質(zhì)來(lái)決定。除了其它的許多變量和因素外，還可包括這些變量如溫度、壓力和工作環(huán)境的濕度。對(duì)于每層的金屬或沉積物質(zhì)種類的選擇也高度依賴于等離子鍍覆基底的所需用途的性質(zhì)。
例如，本發(fā)明防止或者顯著減少了部件之間因過(guò)度磨損而發(fā)生的咬住。這種咬住包括配合部件的兩個(gè)表面如螺紋表面裝配在一起時(shí)常會(huì)發(fā)生的相互咬住。咬住可能引起部件斷裂和破裂，這常常導(dǎo)致嚴(yán)重破壞。通過(guò)對(duì)一個(gè)或多個(gè)接觸表面進(jìn)行等離子鍍覆，可以防止或減少咬住發(fā)生。可使用各種沉積物質(zhì)來(lái)獲得這種有益的效果。然而，優(yōu)選用等離子鍍覆工藝在一個(gè)或多個(gè)接觸表面上沉積鎳或鈦基層和銀/鈀合金工作層，來(lái)減少咬住。對(duì)于高溫如超過(guò)650華氏度的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，優(yōu)選通過(guò)等離子鍍覆工藝沉積鎳或鈦基層和金工作層來(lái)減少咬住。
通過(guò)試驗(yàn)，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)鉻被沉積，無(wú)論是作為基層、過(guò)渡層還是作為工作層時(shí)，對(duì)于減少咬住的效果并不好。人們相信，鉻可能是一種在等離子鍍覆工藝過(guò)程中更難加以控制的沉積物質(zhì)。
等離子鍍覆還可用來(lái)鍍覆閥零件如在非核爆炸應(yīng)用中的閥桿，優(yōu)選等離子鍍覆鈦基層、金過(guò)渡層和銦工作層。在原子核應(yīng)用如核電站應(yīng)用中，銦并不是優(yōu)選的等離子鍍覆沉積物質(zhì)，因?yàn)樗徽J(rèn)為是過(guò)高的放射性同位素吸收體。替代地，而鎳基層和銀/鈀合金工作層對(duì)于等離子鍍覆原子核應(yīng)用中的閥桿則是優(yōu)選的。
如圖4所示，工作層14通常比相應(yīng)的過(guò)渡層112和基層110厚得多。還應(yīng)注意到的是圖示中基底12頂部的涂層在基底12的中央或中央附近較薄。這取決于在等離子鍍覆工藝過(guò)程中絲極如何放置。例如，如果絲極如同圖2-3中所示那樣放置，基底12中央的沉積層一般會(huì)比其側(cè)邊的沉積層薄。
盡管在這里已經(jīng)討論過(guò)了各種厚度范圍，應(yīng)理解本發(fā)明并沒(méi)有對(duì)最大沉積層厚度作出限制。事實(shí)上，沉積層的厚度，尤其是工作層114的厚度，可以為通常取決于等離子鍍覆基底12將來(lái)的工作環(huán)境的任何所需厚度。優(yōu)選基層110和過(guò)渡層112以及工作層114之下的任何其它層的厚度顯著小于相應(yīng)的工作層114的厚度。例如，基層110和過(guò)渡層112的厚度范圍可為500～750埃，而工作層114的厚度事實(shí)上可以為例如18,000埃。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的等離子鍍覆方法500的流程圖。方法500從方框502開(kāi)始，進(jìn)行到方框504。在方框504，準(zhǔn)備了等離子鍍覆的材料或基底。包括清理基底，以除去異物、污物和油?？梢允褂萌魏我阎那謇砉に嚕玟摻Y(jié)構(gòu)刷涂委員會(huì)(SSPC)規(guī)定的那些工藝。例如，可用標(biāo)準(zhǔn)SSPC-5來(lái)保證基底被清理達(dá)到純凈金屬的狀態(tài)。同樣，可以使用標(biāo)準(zhǔn)SSPC-10。優(yōu)選將基底進(jìn)行噴砂處理，例如進(jìn)行噴丸處理以進(jìn)一步保證除去異物或污物。應(yīng)注意在基底的表面可以存在氧化層。本發(fā)明容許即使在基底表面存在氧化層的情況下仍能用等離子鍍覆具有優(yōu)異的粘附性能和機(jī)械性能的沉積層。
方法500進(jìn)行到方框506，在這里設(shè)定等離子鍍覆系統(tǒng)的必要條件。等離子鍍覆系統(tǒng)的裝置不同，該必要條件的內(nèi)容有所不同。在使用擴(kuò)散泵作為真空系統(tǒng)的一部分的情況下，例如必須確保冷卻水的供應(yīng)。同樣，必須確定具備足夠的潤(rùn)滑油和空氣，以使與等離子鍍覆系統(tǒng)相關(guān)的各種設(shè)備、閥和裝置能夠運(yùn)轉(zhuǎn)。在進(jìn)行到方框510之前，還應(yīng)該在此落實(shí)氣體如氬氣的足量供應(yīng)。
假定擴(kuò)散泵用作真空系統(tǒng)的一部分，在方框510處使擴(kuò)散泵做好工作的準(zhǔn)備。包括打開(kāi)前級(jí)閥，啟動(dòng)與擴(kuò)散泵結(jié)合使用的前級(jí)真空泵。一旦達(dá)到了前級(jí)真空度，就可使擴(kuò)散泵的加熱器通電。這使得擴(kuò)散泵進(jìn)入使用狀態(tài)。
方法500進(jìn)行到方框512，在這里作真空室準(zhǔn)備。包括如將基底放置于真空室內(nèi)等許多步驟。通常將基底放置在真空室內(nèi)的平臺(tái)或轉(zhuǎn)臺(tái)上的指定位置。在進(jìn)入真空室內(nèi)部之前，真空室的密封要被破壞，優(yōu)選將鐘形罩或外部構(gòu)件從底板上抬起。將基底放置到平臺(tái)上之后，就可將絲極放置到與基底相應(yīng)的位置。
放置絲極可能涉及許多技術(shù)，并且包括這些變量如絲極提供的沉積物質(zhì)數(shù)量和種類，相對(duì)于基底的距離以及相對(duì)于其它絲極的距離。一般從絲極或沉積物質(zhì)的中心線算起到基底上最近點(diǎn)的距離為0.1～6英寸。但是，當(dāng)沉積物質(zhì)將成為沉積層的基層或過(guò)渡層時(shí)，優(yōu)選絲極或沉積物質(zhì)與基底之間的距離范圍為2.75～3.25英寸。類似地，當(dāng)沉積物質(zhì)將作為沉積層的工作層沉積到基底上時(shí)，優(yōu)選絲極或沉積物質(zhì)與基底之間的距離為2～2.5英寸。
在等離子鍍覆多種沉積物質(zhì)的情況下，有必要考慮容納第一沉積物質(zhì)的絲極與容納第二沉積物質(zhì)的絲極的相對(duì)位置，使每個(gè)絲極之間以及與基底之間的相對(duì)位置相互對(duì)應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，包含作為沉積層的基層、過(guò)渡層或工作層的沉積物質(zhì)的第二絲極和第一絲極之間的距離應(yīng)為0.1～6英寸。
包含將作為基層的沉積物質(zhì)的絲極之間的距離一般為0.1～6英寸。優(yōu)選該距離為3～4英寸。上述關(guān)于絲極之間距離的數(shù)據(jù)也適用于絲極中的沉積物質(zhì)將作為沉積層中的過(guò)渡層的情形。類似地，包含將作為沉積層的工作層的沉積物質(zhì)的絲極之間的距離一般應(yīng)為0.1～6英寸，但是優(yōu)選為2.5～3英寸。
方框512的真空室準(zhǔn)備中也可能需要考慮平臺(tái)上要被等離子鍍覆的一系列基底的布置情況。例如，設(shè)置在真空室內(nèi)的向一系列基底的朝內(nèi)表面鍍覆沉積物質(zhì)覆層的絲極與位于真空室內(nèi)的鍍覆一系列朝外表面的絲極相比，需要的沉積物質(zhì)的質(zhì)量或重量可能要少20～80％。確定朝內(nèi)表面和朝外表面是以相對(duì)于平臺(tái)或轉(zhuǎn)臺(tái)的位置關(guān)系為基準(zhǔn)的，朝內(nèi)表面是指靠近平臺(tái)或轉(zhuǎn)臺(tái)中心的那些表面。上述的原因在由于一般來(lái)說(shuō)朝內(nèi)表面和朝外表面對(duì)等離子體的正離子的吸引力有所不同，造成一系列基底的朝內(nèi)表面的等離子鍍覆工藝效率高于該系列基底的朝外表面的等離子鍍覆工藝效率。這樣也確保朝內(nèi)表面和朝外表面上的沉積層厚度更加均勻。在這種情況下，優(yōu)選絲極位置，絲極上沉積物質(zhì)的重量或質(zhì)量也將有所不同。通常，兩個(gè)不同位置之間的沉積物質(zhì)的質(zhì)量或重量可相差20～80％。優(yōu)選鍍覆朝內(nèi)表面的絲極中的沉積物質(zhì)的質(zhì)量或重量比鍍覆朝外表面的絲極上的沉積物質(zhì)的質(zhì)量或重量要少40～50％。放置在絲極中的沉積物質(zhì)的量與沉積層和其各內(nèi)層所需的厚度相對(duì)應(yīng)。這已結(jié)合圖3作過(guò)更詳盡的討論和說(shuō)明。
在形成等離子的過(guò)程中，絲極的類型影響著其中的沉積物質(zhì)熔化或蒸發(fā)形成的分布圖譜。本發(fā)明中可以使用各種類型、形狀和結(jié)構(gòu)的絲極。例如，絲極可以是鎢籃、舟皿、線圈、坩堝、射線槍、電子束槍、加熱槍或任何其它的結(jié)構(gòu)如真空室內(nèi)的支承結(jié)構(gòu)。一般通過(guò)向絲極通電流來(lái)加熱絲極。但是，本發(fā)明可以使用任何方法或方式來(lái)加熱絲極內(nèi)的沉積物質(zhì)。
真空室準(zhǔn)備還包括將沉積物質(zhì)放置在一個(gè)或多個(gè)絲極中。事實(shí)上本發(fā)明可使用任何能在本發(fā)明的條件和參數(shù)下蒸發(fā)從而形成等離子體的材料。例如，沉積物質(zhì)事實(shí)上可包括任何金屬如金屬合金、金、鈦、鉻、鎳、銀、錫、銦、鉛、銅、鈀、銀/鈀和其它各種金屬。同樣，沉積物質(zhì)可包括任何其它材料如碳、非金屬、陶瓷、金屬碳化物、金屬硝酸鹽和各種其它材料。沉積物質(zhì)通常為丸狀、顆粒、細(xì)粒、粉末、線狀、帶狀或條狀材料。一旦裝好了絲極，就可以關(guān)閉并密封真空室。這可能包括用真空室的底板來(lái)密封真空室的外罩部分。
方法500進(jìn)行到方框514，在此初步設(shè)置真空室內(nèi)的真空條件。在一個(gè)實(shí)施方案中，如圖1中表示的系統(tǒng)10，剛開(kāi)始用低真空泵對(duì)真空室抽真空，將真空室內(nèi)的壓力降到足夠低，以使其它的泵可以接替它并進(jìn)一步降低真空室內(nèi)的壓力。在一個(gè)實(shí)施方案中，開(kāi)始啟用的低真空泵為機(jī)械泵，隨后可打開(kāi)初級(jí)閥，以連通真空室。一旦低真空泵起到了預(yù)定的作用，將真空室內(nèi)的壓力降到了預(yù)定或設(shè)計(jì)水平，就關(guān)閉初級(jí)閥。此時(shí)，方法500轉(zhuǎn)到方框516。
在方框516，用另一個(gè)真空泵來(lái)進(jìn)一步降低真空室內(nèi)的壓力。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，使用擴(kuò)散泵/前級(jí)真空泵來(lái)進(jìn)一步降低真空室內(nèi)的壓力。在圖1所示的本發(fā)明的實(shí)施方案中，通過(guò)開(kāi)啟主閥，使用擴(kuò)散泵，并輔以機(jī)械前級(jí)真空泵，來(lái)進(jìn)一步降低真空室內(nèi)的壓力。
通常將真空室內(nèi)的壓力降低到4毫托以下。優(yōu)選將真空室內(nèi)的壓力降低到1.5毫托以下。在下面結(jié)合方法500的方框518說(shuō)明的進(jìn)行背濺射的情況下，真空室內(nèi)的壓力降低到100毫托以下，一般為20毫托～100毫托。在進(jìn)行背濺射的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，真空室內(nèi)的壓力降低到50毫托以下，一般為20毫托～50毫托。
進(jìn)行到方框518，可施行背濺射工藝來(lái)進(jìn)一步清理、準(zhǔn)備基底。但是應(yīng)該理解的是該工藝不是必須的。在下面會(huì)結(jié)合圖6來(lái)對(duì)背濺射工藝作更詳細(xì)說(shuō)明。背濺射工藝可包括真空室內(nèi)平臺(tái)或轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，通常轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速為5轉(zhuǎn)/分～30轉(zhuǎn)/分。優(yōu)選轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速為12轉(zhuǎn)/分～15轉(zhuǎn)/分。根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，優(yōu)選在基底上形成沉積層時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)也運(yùn)轉(zhuǎn)。
方法500進(jìn)行到方框520，在此設(shè)定工作真空度。盡管如上面結(jié)合方框514和516討論過(guò)的那樣真空室內(nèi)的真空條件已經(jīng)建立，但現(xiàn)在可以通過(guò)將氣體以一定的流速引入真空室內(nèi)來(lái)確定工作真空度，通常將真空室內(nèi)的壓力升高到0.1毫托～4毫托。優(yōu)選引入氣體將真空室內(nèi)的壓力升高到0.5毫托～1.5毫托。這將保證在等離子體中沒(méi)有沉積物質(zhì)離子相撞，并將提高沉積效率，向基底提供干凈的、高度粘附的沉積層。引入到真空室內(nèi)的氣體可以是各種氣體，但是優(yōu)選為惰性氣體、稀有氣體、活性氣體或者如氬氣、氙氣、氡氣、氦氣、氖氣、氪氣、氧氣、氮?dú)獾葰怏w，以及其它各種氣體。該氣體最好為非易燃性氣體。應(yīng)理解本發(fā)明并不要求引入氣體，而是可以在沒(méi)有氣體的情況下進(jìn)行。
方框522處設(shè)定系統(tǒng)的各種工作參數(shù)和數(shù)值。這一般包括使轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，需要的話，施加直流信號(hào)，和施加射頻信號(hào)。假定平臺(tái)包括轉(zhuǎn)臺(tái)或某些其它的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，優(yōu)選在此使轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)然這要假定先前轉(zhuǎn)臺(tái)沒(méi)有旋轉(zhuǎn)，并且進(jìn)行背濺射方框518的處理與否可自行酌定。一旦轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)被設(shè)定，就可以向基底施加直流信號(hào)和射頻信號(hào)。通常向基底施加的直流信號(hào)的電壓為1～5,000伏特。應(yīng)注意優(yōu)選電壓的極性為負(fù)；但也不總是這樣要求。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，向基底施加的直流信號(hào)的電壓為負(fù)500～負(fù)750伏特。
向基底施加的射頻信號(hào)的功率一般為1～50瓦特的。優(yōu)選射頻信號(hào)的功率為10瓦特或者為5～15瓦特。射頻信號(hào)的頻率一般為幾千赫茲或者幾兆赫茲的工業(yè)指定頻率。優(yōu)選頻率信號(hào)為13.56千赫茲。盡管自始至終使用術(shù)語(yǔ)射頻來(lái)描述在基底上產(chǎn)生和施加的射頻信號(hào)，應(yīng)理解的是術(shù)語(yǔ)射頻并不限于通常意義上的頻率約為10千赫茲～100,000兆赫茲的信號(hào)。術(shù)語(yǔ)射頻還應(yīng)包括能有助于在真空室內(nèi)形成或激發(fā)等離子體的任何頻率的信號(hào)。
優(yōu)選方框522還包括使用混合器電路來(lái)混合直流信號(hào)和射頻信號(hào)，從而復(fù)合信號(hào)。這使得向基底上施加的只有一個(gè)信號(hào)。通常使用穿過(guò)真空室的底板并與平臺(tái)的導(dǎo)電部分接觸、隨后與基底電連接的饋電通路來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。方框522還包括通過(guò)使用射頻平衡網(wǎng)路來(lái)平衡復(fù)合信號(hào)。優(yōu)選通過(guò)降低駐波反射功率來(lái)平衡復(fù)合信號(hào)。這優(yōu)選通過(guò)人工進(jìn)行控制。
如曾在混合器電路中看到的那樣，在天線或輸出的輸出特性或負(fù)荷特性改變時(shí)，當(dāng)電信號(hào)或電波從輸出負(fù)載反射回到混合器或信號(hào)源時(shí)可能出現(xiàn)問(wèn)題。這些問(wèn)題可能包括射頻發(fā)射器破壞，和轉(zhuǎn)移到基底和真空室中的功率減少，轉(zhuǎn)移到基底和真空室中的功率是為了保證形成足夠的等離子體來(lái)圓滿完成等離子鍍覆工藝。
這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)射頻平衡網(wǎng)路來(lái)減少或解決，該射頻平衡電路能調(diào)整它的阻抗來(lái)抵消或降低反射波，在一個(gè)實(shí)施方案中阻抗包括電阻、電感和電容。輸出載荷或天線的阻抗和電特性受到如等離子體存在與否、平臺(tái)上基底的形狀和性能等的影響。由于在等離子鍍覆工藝過(guò)程中存在這些變化，在工藝過(guò)程中可能需要調(diào)整射頻平衡電路來(lái)降低駐波反射功率，換句話說(shuō)或者是防止或減小返回到射頻發(fā)射器的駐波比例。優(yōu)選在等離子鍍覆工藝過(guò)程中，這些調(diào)整由操作者手工進(jìn)行。在其它的實(shí)施方案中，射頻平衡電路是自動(dòng)調(diào)整的。但是必須小心操作，以保證自動(dòng)調(diào)整不會(huì)補(bǔ)償過(guò)度或者是不能跟蹤輸出載荷的變化。
方法500進(jìn)行到方框524，在此一種或多種沉積物質(zhì)被熔化或蒸發(fā)，產(chǎn)生等離子體。等離子體在本發(fā)明提供的條件下產(chǎn)生，使得沉積層通過(guò)等離子鍍覆在基底表面上形成。人們相信沉積層在形成中等能量水平形成，該中等能量一般為10eV～90eV。
一般通過(guò)向沉積物質(zhì)周圍的絲極提供電流來(lái)使沉積物質(zhì)蒸發(fā)或汽化。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，沉積物質(zhì)被慢慢或逐漸加熱，以使沉積物質(zhì)中具有更均勻的熱量分布。這也促進(jìn)了等離子體的形成。提供的電流可以是交流電流或者是任何其它足以在絲極中產(chǎn)生熔化沉積物質(zhì)的熱量的電流。在其它的實(shí)施方案中，可以引入與沉積物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)接觸的試劑來(lái)加熱沉積物質(zhì)。在另外的實(shí)施方案中，可以使用電磁能或微波能來(lái)加熱沉積物質(zhì)。
真空室內(nèi)的條件將利于形成等離子體。等離子體一般包括氣體離子如氬離子，和沉積物質(zhì)離子如金、鎳或鈀離子。由于缺失一個(gè)或多個(gè)電子，氣體離子和沉積物質(zhì)離子一般為正離子。人們相信引入射頻信號(hào)以及加熱沉積物質(zhì)產(chǎn)生的熱離子(thermionic)現(xiàn)象有助于形成等離子體。在某些情況下，產(chǎn)生的等離子體可能包括帶負(fù)電荷的離子。
基底上用直流信號(hào)而產(chǎn)生的負(fù)電位將會(huì)吸引等離子體中的正離子。同樣，這主要包括沉積物質(zhì)離子，可能還包括氣體離子如在方法500中較早引入的氣體中的氬氣離子。人們相信氣體離子如氬氣離子的摻入不會(huì)使材料變劣或降低沉積層的機(jī)械性能。
應(yīng)注意一些在先著作建議最好在基底上或其附近引入磁鐵，從而在等離子體被吸引到基底上形成沉積層時(shí)影響等離子體的離子移動(dòng)路徑?，F(xiàn)在，實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，引入這樣的磁鐵事實(shí)上是沒(méi)有必要的，會(huì)產(chǎn)生有害影響。磁鐵的存在可能導(dǎo)致沉積厚度不均勻，并對(duì)工藝的可控性、再現(xiàn)性和可靠性顯然不利。
當(dāng)設(shè)計(jì)的沉積層包括多個(gè)內(nèi)層時(shí)，在方框524要進(jìn)行多層鍍覆。這意味著在通過(guò)加熱絲極而使基層沉積物質(zhì)熔化之后，再通過(guò)加熱絲極來(lái)使過(guò)渡層沉積物質(zhì)(或者是接著要施加的覆層沉積物質(zhì))受熱熔化。照這樣，就可以鍍覆任意層內(nèi)層的沉積層。在形成后續(xù)的沉積內(nèi)層之前，前面的沉積層應(yīng)該已經(jīng)完全或近乎完全形成。由此方法500具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，其容許無(wú)需破壞和重新設(shè)立真空室的真空度而沉積具有多層內(nèi)層的沉積層。這一點(diǎn)能顯著地減少總的等離子鍍覆時(shí)間和成本。
方法500進(jìn)行到方框526，在這里關(guān)閉系統(tǒng)。在圖1所示系統(tǒng)的實(shí)施方案中，關(guān)閉主閥，打開(kāi)通向真空室的通氣閥，以平衡真空室內(nèi)的壓力。然后打開(kāi)真空室，就可以立刻取出基底。這是因?yàn)榉椒?00的等離子鍍覆工藝中不會(huì)在基底內(nèi)產(chǎn)生過(guò)多熱量。這具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榛缀统练e層的材料或機(jī)械結(jié)構(gòu)不會(huì)受到過(guò)高溫度的不利影響。然后就可以根據(jù)需要使用等離子鍍覆基底。因?yàn)榛椎臏囟纫话愕扔诨虻陀?25華氏溫度，通常無(wú)需任何熱保護(hù)就能立即對(duì)基底進(jìn)行處理。
方法500還具有不產(chǎn)生任何廢棄副產(chǎn)物的優(yōu)點(diǎn)，是環(huán)保的。另外，方法500還能有效利用沉積物質(zhì)，因此能有效利用而不會(huì)浪費(fèi)貴重金屬如金和銀。此外，由于本發(fā)明不使用高能沉積技術(shù)，因此對(duì)基底無(wú)不利的冶金或機(jī)械作用。相信是因?yàn)楸景l(fā)明的沉積層沒(méi)有深嵌入基底內(nèi)部，但是沉積層仍然表現(xiàn)出優(yōu)異的粘著性能、機(jī)械性能和材料性能。在方框528處取出基底之后，方法500在方框530處結(jié)束。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，使用本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的背濺射方法600的流程圖。在沉積層通過(guò)等離子鍍覆在基底上形成之前，可以用背濺射來(lái)進(jìn)一步清理基底。背濺射通常清除污物和異物，從而使基底更干凈，沉積層更加堅(jiān)固和均勻。方法600從方框602開(kāi)始，進(jìn)行到方框604處將氣體引入真空室，引入速率要能維持或產(chǎn)生真空室內(nèi)所需的壓力。這與前面圖5中方框520的說(shuō)明類似。一般地，真空室內(nèi)的壓力應(yīng)為100毫托以下，如20毫托～100毫托。優(yōu)選真空室內(nèi)的壓力為30毫托～50毫托。
方法600進(jìn)行到方框606，必要的話在此使平臺(tái)或轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)。如上所述，轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)速率為5轉(zhuǎn)/分～30轉(zhuǎn)/分，但是優(yōu)選為12轉(zhuǎn)/分～15轉(zhuǎn)/分。
進(jìn)行到方框608時(shí)，設(shè)定直流信號(hào)并施加到基底上。通常施加的直流信號(hào)為1～4,000伏特。優(yōu)選施加的直流信號(hào)的電壓為負(fù)100～負(fù)250伏特。
方框608處還包括產(chǎn)生射頻信號(hào)并施加到基底上。射頻信號(hào)的功率一般為1～50瓦特。優(yōu)選射頻信號(hào)的功率為10瓦特，或者為5～15瓦特。優(yōu)選將直流信號(hào)和射頻信號(hào)混合、平衡，并作為復(fù)合信號(hào)施加到基底上。結(jié)果，在方框604處引入的氣體將形成等離子體。該氣體一般為惰性氣體或希有氣體如氬氣。等離子體的形成包括從氣體生成正離子。這些等離子體的正離子受到吸引并加速移向優(yōu)選處于負(fù)電位的基底，從而除去基底上的污物。一旦污物或異物離開(kāi)基底，便可通過(guò)真空泵如擴(kuò)散泵的運(yùn)轉(zhuǎn)將它們從真空室中抽出。
進(jìn)行到方框610處，持續(xù)進(jìn)行背濺射工藝通常達(dá)30秒～1分鐘。取決于基底的條件和清潔程度，背濺射工藝持續(xù)的時(shí)間可長(zhǎng)可短。一般地，允許背濺射工藝持續(xù)進(jìn)行，直到背濺射工藝產(chǎn)生的電容放電基本上完成或者顯著減少。這可以通過(guò)觀察與基底的污物的電容放電相一致的火花或閃光來(lái)進(jìn)行肉眼監(jiān)控。可稱之為微弧。
在背濺射工藝過(guò)程中，必須對(duì)直流信號(hào)加以控制。這通常是通過(guò)手工調(diào)整直流電源來(lái)做到的。優(yōu)選直流信號(hào)的電壓達(dá)到最大值，但不要使直流電源過(guò)載。隨著背濺射工藝的進(jìn)行，由于背濺射工藝過(guò)程中等離子體發(fā)生變化，直流電源中的電流將會(huì)改變。因此在背濺射工藝過(guò)程中有必要調(diào)整直流信號(hào)的電壓。
方法600進(jìn)行到方框612，在此去除直流信號(hào)和射頻信號(hào)，并關(guān)掉氣體。方法600進(jìn)行到方框614便結(jié)束。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)700的頂視圖。移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)700的實(shí)施使用了移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702為封閉式或半封閉式拖車，通常由柴油卡車如“雙輪(Semi)”或“18輪”柴油卡車來(lái)牽引。然而，應(yīng)該理解事實(shí)上本發(fā)明的移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702可以使用任何現(xiàn)有的移動(dòng)式儲(chǔ)存箱、貨箱、拖車等等，例如貨箱、海/陸兩用貨箱、載重拖車或牽引拖車的內(nèi)儲(chǔ)存箱、半拖車、貨車、冷藏車、貨運(yùn)拖車、冷藏箱、平板拖車、自卸拖車、牽引拖車或封頂拖車。盡管移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702的優(yōu)選實(shí)施方案為密封式或半封閉式的儲(chǔ)存箱，在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明也能為敞開(kāi)式或半敞開(kāi)式拖車或貨箱。
圖示的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)700，其中外部真空泵704放置在移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702之外。這表明該移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)700處于固定和工作狀態(tài)。當(dāng)移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)700在運(yùn)送途中或處于非工作狀態(tài)時(shí)，外部真空泵704可以儲(chǔ)存在移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702內(nèi)。例如，圖中外部真空泵704附近有一個(gè)開(kāi)口706，在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，外部真空泵704可以通過(guò)開(kāi)口706儲(chǔ)存在移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702中。于是在運(yùn)送途中，外部真空泵704與移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702在一起。本發(fā)明并不限制任何開(kāi)口如開(kāi)口706或開(kāi)口754的位置或存在與否。開(kāi)口754也是進(jìn)入移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702的入口。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，外部真空泵704包括安裝在滑軌上的機(jī)械低真空泵708和機(jī)械前級(jí)真空泵710。這樣，外部真空泵704可以通過(guò)開(kāi)口706方便、快速地進(jìn)出移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702。例如，可以使用叉式升降機(jī)將外部真空泵704移入或移出移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702。
外部真空泵704置于移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702之外、并在儲(chǔ)存箱外運(yùn)轉(zhuǎn)這一點(diǎn)具有明顯的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，能減小或消除鍍覆工藝過(guò)程中在移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702內(nèi)的設(shè)備和系統(tǒng)中產(chǎn)生的內(nèi)部振動(dòng)、噪音和泄漏。這類的振動(dòng)和機(jī)械應(yīng)變可能對(duì)整個(gè)鍍覆工藝有巨大的危害。一般外部真空泵704是用來(lái)協(xié)助在位于移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702內(nèi)的真空室712中產(chǎn)生所需的壓力，使得所需的鍍覆工藝可以在所需的可靠的工作參數(shù)下進(jìn)行。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，低真空泵708通過(guò)或使用柔性管件714與真空室712相連。同樣，前級(jí)真空泵710可使用柔性管件714與真空室712相連，在圖7所示的實(shí)施方案中是通過(guò)內(nèi)部真空泵716，圖示為擴(kuò)散泵，來(lái)與真空室712相連。除了外部真空泵704位于移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702的外部這一點(diǎn)之外，柔性管件714也有助于消除、減小或隔離外部真空泵704在其他設(shè)備、機(jī)器和系統(tǒng)上引起的機(jī)械振動(dòng)、應(yīng)變和噪音。此外，柔性管件714允許管道運(yùn)動(dòng)，以至于在管道中不會(huì)產(chǎn)生使移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)700完全停工的機(jī)械應(yīng)力、疲勞和潛在裂紋或破裂。外部真空泵704和真空室712(和內(nèi)部真空泵716)之間接合的一個(gè)實(shí)施方案將在下面結(jié)合圖8進(jìn)行詳盡說(shuō)明。
在繼續(xù)說(shuō)明之前，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是本發(fā)明的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)700并不以任何方式受限于任何特定類型的鍍覆工藝、系統(tǒng)或沉積技術(shù)。如以上結(jié)合圖1-6的詳細(xì)說(shuō)明中所述，可以使用移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)700來(lái)實(shí)施等離子鍍覆系統(tǒng)或工藝。事實(shí)上本發(fā)明可以利用任何已知的或現(xiàn)有的使用真空室和真空泵的鍍覆工藝。例如，但不作任何限制，移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)700可以使用以下任一種鍍覆工藝真空淀積、物理汽相淀積、化學(xué)氣相淀積、濺射、離子鍍和離子注入。實(shí)質(zhì)上，圖7所示的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)700反映了在上面結(jié)合圖1說(shuō)明過(guò)的等離子鍍覆系統(tǒng)10的一種實(shí)施裝置。
移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702可通過(guò)變壓器718與電源相連。于是，變壓器718可以向移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)700的各種設(shè)備和系統(tǒng)提供適當(dāng)?shù)乃桦妷汉凸β省Ｔ谝粋€(gè)實(shí)施方案中，可以在移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702的頂部附近安置電力總線，使得整個(gè)移動(dòng)式儲(chǔ)存箱可以方便地使用電源，但沒(méi)有安全隱患，該總線在圖7中沒(méi)有表示。圖7中還有空調(diào)設(shè)備720?？照{(diào)設(shè)備720的作用是在移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702內(nèi)提供適宜、舒適的工作環(huán)境，并幫助冷卻需要冷卻的設(shè)備。
在移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702中表示出來(lái)的冷卻系統(tǒng)包括冷卻器722、水箱724和適當(dāng)?shù)墓苈坊蜻B接件，可將冷卻水從冷卻器722送到內(nèi)部真空泵716，圖中該泵為擴(kuò)散泵，冷卻水和內(nèi)部真空泵716之間作熱量交換，然后水回流到水箱724中，隨后送到冷卻器722進(jìn)行冷卻。盡管在圖1的系統(tǒng)10中沒(méi)有表示，與圖1的擴(kuò)散泵42相似，內(nèi)部真空泵716需要適當(dāng)運(yùn)行冷卻系統(tǒng)來(lái)確保在真空室712內(nèi)的工作壓力產(chǎn)生并維持在特定鍍覆工藝所要求的水平。冷卻器722可以是一種致冷裝置，這樣，該致冷裝置產(chǎn)生的熱廢氣可以通過(guò)通道(duct)726從移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702的內(nèi)部排出。
本發(fā)明的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)700還具有容許相對(duì)容易地處理大型、龐大和沉重的部件的顯著優(yōu)點(diǎn)。從移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702的主入口處放入要被涂敷或鍍覆的基底、零件或部件，如圖7所示，當(dāng)主入口門728和主入口門730打開(kāi)時(shí)，放置基底、零件或部件。在基底特別沉重或笨重的情況下，在主入口或開(kāi)口處設(shè)置空中吊運(yùn)/升降組件732。在所示的實(shí)施方案中，空中吊運(yùn)/升降組件732包括安裝在移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702頂部附近的框架結(jié)構(gòu)?？罩械踹\(yùn)/升降組件732的框架結(jié)構(gòu)可以移動(dòng)，并可以用馬達(dá)734驅(qū)動(dòng)。馬達(dá)734使得空中吊運(yùn)/升降組件732用輪子如圖示的輪子736，沿著設(shè)置于移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702頂部或上部附近的軌道從移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702的主開(kāi)口處滾進(jìn)、滾出或滑進(jìn)、滑出。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)700包括鉸接的延伸軌道738和740(也可稱為“空中翼軌”)，因此安置延伸軌道738可以將上述的空中吊運(yùn)/升降組件732的軌道延伸到移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702之外。
如雙箭頭所示，空中吊運(yùn)/升降組件732可以在移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702的內(nèi)部和外部移動(dòng)。當(dāng)空中吊運(yùn)/升降組件732移出移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702時(shí)，延伸軌道738和740提供了空中吊運(yùn)/升降組件732的各種輪子如輪子736可以安放或在其上滾動(dòng)的軌道。
工作中，龐大或笨重工件放置在移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702的主開(kāi)口或入口處的外面。隨后，用馬達(dá)734來(lái)移動(dòng)空中吊運(yùn)/升降組件732，使空中吊運(yùn)/升降組件732的升舉器(在圖7中沒(méi)有特別表示出來(lái))放置在龐大基底的上方或附近。如前面解釋的那樣，當(dāng)空中吊運(yùn)/升降組件732位于移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)700的移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702之外時(shí)，使用延伸滾道738和740來(lái)支撐空中吊運(yùn)/升降組件732。然后將升舉器放低，該升舉器優(yōu)選為電動(dòng)或機(jī)動(dòng)升舉器，并將基底提升到適當(dāng)?shù)奈恢?。然后將空中吊運(yùn)/升降組件732放置在移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702的主開(kāi)口之內(nèi)，直到將基底放置到預(yù)定位置。
基底的預(yù)定位置一般優(yōu)選位于移動(dòng)推車或平臺(tái)742之上。然后用空中吊運(yùn)/升降組件732的升舉器來(lái)放低基底，將基底放置在可移動(dòng)的推車或平臺(tái)742上。在圖7所示的優(yōu)選實(shí)施方案中，可以將可移動(dòng)的推車或平臺(tái)742放置到軌道744上。這允許使用軌道744上的可移動(dòng)的推車或平臺(tái)742將基底移到真空室712內(nèi)。可以將工作臺(tái)或平臺(tái)放置在可移動(dòng)的推車或平臺(tái)742的頂面，并且優(yōu)選將基底停放在該表面上。然后將該工作臺(tái)或平臺(tái)與基底置入真空室712內(nèi)，因此，在一個(gè)實(shí)施方案中，將表面放有基底的工作臺(tái)或平臺(tái)沿著位于真空室712內(nèi)側(cè)的軌道滑入真空室712中。在圖7的實(shí)施方案中，真空室712為一個(gè)大的金屬容器，其在靠近軌道744處有一個(gè)大的開(kāi)口。真空室712可以為任何已知或現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)，也可由任何已知或現(xiàn)有的材料制成。
一旦將龐大或笨重的基底(或任何其它此類的這種基底)放置到真空室712內(nèi)，就可以根據(jù)要求進(jìn)行鍍覆工藝。例如，該鍍覆工藝可以使用以上結(jié)合圖5討論過(guò)的等離子鍍覆方法。在這種情況下，使用所有在前面結(jié)合圖1說(shuō)明過(guò)的設(shè)備來(lái)設(shè)定適當(dāng)?shù)墓ぷ鲄?shù)。一般，用控制元件746來(lái)控制所有的或某些運(yùn)行和監(jiān)控鍍覆工藝所需的真空泵、閥及其它配套設(shè)備如配套設(shè)備748。在一個(gè)實(shí)施方案中，配套設(shè)備748可包括與圖1所示相類似的設(shè)備。例如，配套設(shè)備748可包括類似于圖1的直流電源66的可在基底上產(chǎn)生所需電壓的直流電源、類似于圖1的射頻發(fā)射器64的可在基底上產(chǎn)生所需功率射頻信號(hào)的射頻發(fā)射器，可在真空室712內(nèi)的絲極上產(chǎn)生所需電流的絲極功率控制元件?？刂圃?46也可控制真空室712內(nèi)氣體如氬氣750的引入?？刂圃?46也能控制馬達(dá)752，該馬達(dá)是用來(lái)向真空室712內(nèi)提供機(jī)械能的，如使放置基底的轉(zhuǎn)臺(tái)或平臺(tái)上的滾軸旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。這與圖1的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)24相似。
在其它的實(shí)施方案中，移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)700可包括位于移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702內(nèi)的噴丸室。在圖7中沒(méi)有表示出來(lái)的噴丸室可用來(lái)在將基底引入真空室712內(nèi)進(jìn)行鍍覆之前對(duì)基底進(jìn)行清理。
圖8為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，表示外部真空泵704與移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)700的真空室712之間的連接的側(cè)視圖。外部真空泵704包括低真空泵708和前級(jí)真空泵710。圖示中低真空泵708和前級(jí)真空泵710均以泵和馬達(dá)一起來(lái)表示，并安裝在滑行架780上。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，可用叉式升降機(jī)來(lái)升舉滑行架780。
低真空泵708通過(guò)管道系統(tǒng)與真空室712相連，該管道系統(tǒng)包括低真空截止閥782、延伸通過(guò)或通向移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702處的可拆卸箱786通向移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702內(nèi)部的柔性管件784。在移動(dòng)式儲(chǔ)存箱702內(nèi)，低真空泵708在直接與真空室712連接之前還包括柔性管件788和低真空閥790。
外部真空泵704的前級(jí)真空泵710與內(nèi)部真空泵716的擴(kuò)散泵相連然后通向真空室712的連接包括各種管道系統(tǒng)元件，這些管道系統(tǒng)元件類似于剛才關(guān)于低真空泵708的管道系統(tǒng)的說(shuō)明。在與擴(kuò)散泵716連接之前還包括柔性管件792、柔性管件794和前級(jí)真空閥796，該柔性管件792與可拆卸箱786相連并延伸到移動(dòng)式儲(chǔ)存箱內(nèi)部。然后通過(guò)主閥798將擴(kuò)散泵716與真空室712相連。
圖示中交叉連接閥800將上述兩條路徑連接起來(lái)。盡管交叉連接閥800是常閉的，一旦機(jī)械前級(jí)真空泵710或機(jī)械低真空泵708壞了或者需要維修，該交叉連接閥800允許只使用上述的一個(gè)泵來(lái)使真空室712內(nèi)產(chǎn)生所需的真空。這提供了顯著的靈活度，從而增強(qiáng)了整體工作的可靠度。
圖9是說(shuō)明使用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)700的方法900的流程圖。方法900從方框902開(kāi)始，進(jìn)行到方框904。在方框904，將移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)放置到所需位置。例如，如果在核電站使用該移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，該移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)將被放置在或靠近核電站所在地，這樣任何需要涂敷或鍍覆的關(guān)鍵零件或部件可以方便、輕易地輸運(yùn)，而無(wú)需擔(dān)心裝運(yùn)損耗或延遲。在方框906處，將外部真空泵從移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)的移動(dòng)式儲(chǔ)存箱之內(nèi)移出，并放到移動(dòng)式儲(chǔ)存箱之外。這具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，消除了可能干擾鍍覆工藝的巨大機(jī)械噪聲源和振動(dòng)源。
方法900進(jìn)行到方框908，在這里使用柔性管件將外部真空泵與真空室相連。如上面剛討論過(guò)的那樣，這一點(diǎn)也進(jìn)一步隔開(kāi)了外部真空泵，且消除了由于機(jī)械應(yīng)力、裂紋和泄漏造成的潛在失效或破壞。進(jìn)行到方框910，可將基底如反應(yīng)堆容器蓋螺柱與沉積物質(zhì)一起放置到真空室內(nèi)。如上面結(jié)合圖7討論過(guò)的那樣，在基底為大型或龐大的部件的情況下，本發(fā)明具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，即允許使用空中吊運(yùn)/升降機(jī)來(lái)方便地處理這樣的基底，該空中吊運(yùn)/升降機(jī)能延伸到移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)的移動(dòng)式儲(chǔ)存箱之外。然后可將基底按要求準(zhǔn)確地放置在能滑入或置入真空室內(nèi)的平臺(tái)或工作臺(tái)上。
方法900進(jìn)行到方框912，開(kāi)始進(jìn)行鍍覆工藝。一般包括設(shè)定真空室內(nèi)產(chǎn)所需的壓力和工作參數(shù)。最后，方法900進(jìn)行到方框914，使用事實(shí)上任何已知的或現(xiàn)有的鍍覆或沉積技術(shù)如真空淀積、等離子鍍覆、物理汽相淀積、化學(xué)氣相淀積、離子鍍、濺射和離子注入來(lái)將沉積物質(zhì)鍍覆到基底上。最后，方法900在方框916處結(jié)束。
因此，顯然本發(fā)明提供了一種具備上述一種或多種優(yōu)點(diǎn)的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)和方法。盡管上面已經(jīng)詳細(xì)說(shuō)明了優(yōu)選的實(shí)施方案，應(yīng)理解的是，在這里所能作出的各種改變、替代和變更并不脫離本發(fā)明的范圍，即便是缺少以上認(rèn)識(shí)到的所有、一個(gè)或一些優(yōu)點(diǎn)。例如，真空室和外部真空泵之間可以使用一個(gè)或多個(gè)柔性管件或接頭進(jìn)行連接，也可通過(guò)內(nèi)部真空泵如擴(kuò)散真空泵、低溫泵和/或渦輪分子泵進(jìn)行連接。本發(fā)明可使用各種材料和結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)施。例如，本發(fā)明中可使用各種真空泵系統(tǒng)、設(shè)備和技術(shù)。這些只是本發(fā)明規(guī)劃和覆蓋的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)和方法的其它配置或結(jié)構(gòu)的一部分例子。
在優(yōu)選的實(shí)施方案獨(dú)立或分開(kāi)描述和說(shuō)明的各種部件、設(shè)備、物質(zhì)、元件和工藝可以與其它元件和工藝相結(jié)合，而不會(huì)背離本發(fā)明的范圍。例如，可以連接或集成一個(gè)或多個(gè)泵來(lái)幫助在真空室產(chǎn)生或維持所需壓力或真空度條件。本領(lǐng)域的專業(yè)人員可以很容易地做出其它的改變、替代和變更的實(shí)施例，而這些實(shí)施例并不背離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于施行鍍覆工藝的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，其包括移動(dòng)式儲(chǔ)存箱；位于移動(dòng)式儲(chǔ)存箱中的真空室；外部真空泵，其可操作地在運(yùn)送移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)的途中置于移動(dòng)式儲(chǔ)存箱內(nèi)，而在移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)被固定以及運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中置于移動(dòng)式儲(chǔ)存箱之外進(jìn)行工作，該外部真空泵通過(guò)柔性管件可操作地與真空室相連，以助于在真空室內(nèi)產(chǎn)生所需的壓力；和可控制該外部真空泵的控制元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，其中移動(dòng)式儲(chǔ)存箱為拖車。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，其中移動(dòng)式儲(chǔ)存箱為貨箱。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，其中貨箱為海/陸兩用貨箱。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，其中移動(dòng)式儲(chǔ)存箱為卡車貨廂。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，其中外部真空泵安裝在滑軌上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，其中外部真空泵為機(jī)械泵。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，其中外部真空泵包括低真空泵和前級(jí)真空泵。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，其中低真空泵為使用第一柔性管件與真空室相連的機(jī)械泵，前級(jí)真空泵為通過(guò)第二柔性管件與真空室相連的機(jī)械泵。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，其中低真空泵和前級(jí)真空泵安裝在滑軌上。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，還包括可操作地與真空室相連并有助于在真空室內(nèi)產(chǎn)生所需壓力的內(nèi)部真空泵，和其中的可操作地控制該內(nèi)部真空泵的控制元件。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，其中外部真空泵包括低真空泵和前級(jí)真空泵，該低真空泵使用第一柔性管件與真空室相連，而該前級(jí)真空泵通過(guò)第二柔性管件和內(nèi)部真空泵與真空室相連。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，其中內(nèi)部真空泵為擴(kuò)散泵。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，還包括用于可操作地冷卻內(nèi)部真空泵的冷卻系統(tǒng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，其中冷卻系統(tǒng)為水冷系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)包括可操作地產(chǎn)生冷卻水并向內(nèi)部真空泵提供用于冷卻的冷卻水的冷卻器；和可操作地接收并儲(chǔ)存來(lái)自內(nèi)部真空泵的溫水、并向冷卻器提供這種溫水的水箱。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，還包括可操作地設(shè)于真空室內(nèi)并支撐著被鍍覆基底的平臺(tái)；真空室內(nèi)與平臺(tái)相應(yīng)的可操作地裝載沉積物質(zhì)的絲極；和配套設(shè)備，該配套設(shè)備包括在基底上可操作地產(chǎn)生所需電壓的直流電源；在基底上可操作地產(chǎn)生所需功率的射頻信號(hào)的射頻發(fā)射器；和在絲極上可操作地產(chǎn)生所需電流的絲極電源控制元件，以及其中可操作地控制直流電源、射頻發(fā)射器和絲極電源控制元件的控制元件。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，其中平臺(tái)為轉(zhuǎn)臺(tái)，并進(jìn)一步包括可操作地控制轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)，和其中的可操作地控制該馬達(dá)的控制元件。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，還包括可操作地支撐平臺(tái)并運(yùn)送平臺(tái)往返于真空室的移動(dòng)式推車。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，其中移動(dòng)式推車在軌道上運(yùn)行。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，還包括用于在鍍覆之前清理基底的噴丸室。
21.根據(jù)權(quán)利要求1的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，還包括可操作地設(shè)于真空室內(nèi)支撐被鍍覆基底的平臺(tái)；和可操作地提升基底并將基底運(yùn)送到平臺(tái)上的空中吊運(yùn)/升降機(jī)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，還包括可操作地允許空中吊運(yùn)/升降機(jī)移動(dòng)到移動(dòng)式儲(chǔ)存箱之外，從而將基底提升并運(yùn)送到位于移動(dòng)式儲(chǔ)存箱之內(nèi)的平臺(tái)上的延伸軌道。
23.根據(jù)權(quán)利要求1的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，其中鍍覆工藝為等離子鍍覆。
24.根據(jù)權(quán)利要求1的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，其中鍍覆工藝使用的是真空淀積。
25.根據(jù)權(quán)利要求1的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，其中鍍覆工藝為物理氣相淀積。
26.根據(jù)權(quán)利要求1的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，其中鍍覆工藝為化學(xué)氣相淀積。
27.根據(jù)權(quán)利要求1的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，其中鍍覆工藝使用的是濺射。
28.根據(jù)權(quán)利要求1的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，其中鍍覆工藝使用的是離子鍍。
29.根據(jù)權(quán)利要求1的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，其中鍍覆工藝使用的是離子注入。
30.一種用于施行鍍覆工藝的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)，其包括移動(dòng)式儲(chǔ)存箱；位于移動(dòng)式儲(chǔ)存箱中的真空室；外部真空泵，其可操作地在運(yùn)送移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)的途中置于移動(dòng)式儲(chǔ)存箱內(nèi)，而在移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)被固定以及運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中置于移動(dòng)式儲(chǔ)存箱之外進(jìn)行工作，該外部真空泵通過(guò)柔性管件可操作地與真空室相連，有助于在真空室內(nèi)產(chǎn)生所需的壓力；可操作地與真空室相連并幫助在該真空室內(nèi)產(chǎn)生所需壓力的內(nèi)部真空泵；可操作地冷卻該內(nèi)部真空泵的冷卻系統(tǒng)；可操作地設(shè)于真空室內(nèi)以支撐被鍍覆的基底的平臺(tái)；真空室內(nèi)與平臺(tái)相應(yīng)的可操作地裝載沉積物質(zhì)的絲極；和配套設(shè)備，其包括在基底上可操作地產(chǎn)生所需電壓的直流電源；在基底上可操作地產(chǎn)生所需功率的射頻信號(hào)的射頻發(fā)射器；和可在絲極上可操作地產(chǎn)生所需電流的絲極電源控制元件；和可操作地控制外部真空泵、內(nèi)部真空泵、直流電源、射頻發(fā)射器和絲極電源控制元件的控制元件。
31.一種使用移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)的方法，包括將移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)放置在所需的鍍覆位置；將外部真空泵從移動(dòng)式等離子鍍覆系統(tǒng)的移動(dòng)式儲(chǔ)存箱內(nèi)部移出至外部；和使用柔性管件將外部真空泵與移動(dòng)式等離子鍍覆系統(tǒng)的移動(dòng)式儲(chǔ)存箱內(nèi)的真空室相連。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，還包括將基底和沉積物質(zhì)置于真空室內(nèi)；使用該外部真空泵來(lái)設(shè)定真空室內(nèi)所需的壓力；和用沉積物質(zhì)來(lái)鍍覆基底。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種事實(shí)上使用任何已知或現(xiàn)有的用于涂敷或鍍覆的沉積技術(shù)進(jìn)行鍍覆工藝的示范性的移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)和方法。該移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)可包括位于移動(dòng)式儲(chǔ)存箱中的真空室、外部真空泵和控制外部真空泵的一部分或全部操作的控制部件。在移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)的運(yùn)送途中，外部真空泵位于移動(dòng)式儲(chǔ)存箱中，而當(dāng)該移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)在固定了以及運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中時(shí)，外部真空泵位于移動(dòng)式儲(chǔ)存箱之外。該外部真空泵可以安裝在滑軌上，并且在操作中，該外部真空泵與真空室相連，以助于在真空室中產(chǎn)生所需壓力。該外部真空泵使用柔性管件與真空室相連，以減少和/或消除任何由于外部真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)從而在真空室內(nèi)部和移動(dòng)式儲(chǔ)存箱內(nèi)部引起的機(jī)械振動(dòng)。本發(fā)明提供了一種使用移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)的示范性的方法，其包括將移動(dòng)式鍍覆系統(tǒng)安裝在所需的鍍覆位置，將外部真空泵從移動(dòng)式等離子鍍覆系統(tǒng)的移動(dòng)式儲(chǔ)存箱的內(nèi)部移出，并使用柔性管件將該外部真空泵與位于移動(dòng)式等離子鍍覆系統(tǒng)的移動(dòng)式儲(chǔ)存箱內(nèi)的真空室相連。
文檔編號(hào)C23C16/44GK1478292SQ01819854
公開(kāi)日2004年2月25日 申請(qǐng)日期2001年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月22日
發(fā)明者杰里D·基德, 克雷格D·哈林頓, 丹尼爾N·霍普金斯, D 哈林頓, N 霍普金斯, 杰里D 基德 申請(qǐng)人:基礎(chǔ)資源有限公司